¿Cuáles son los inventos y creaciones de la humanidad inspirados en la naturaleza?
Las moscas son propagadoras de bacterias y todo el mundo las odia. Sin embargo, las alas de la mosca (también llamadas barras de equilibrio) son "navegantes naturales" y la gente las imitaba para fabricar "giroscopios vibratorios". Este tipo de instrumento se ha utilizado en cohetes y aviones de alta velocidad para realizar la conducción automática. El ojo de la mosca es una especie de "ojo compuesto", que consta de más de 3.000 ojos pequeños. La gente lo imita para fabricar "lentes de ojo de mosca". Una "lente de ojo de mosca" se compone de cientos o miles de lentes pequeñas dispuestas cuidadosamente juntas. Utilizándola como lente se puede utilizar para crear una "cámara de ojo de mosca", que puede tomar miles de fotografías iguales a la vez. Este tipo de cámara se ha utilizado en la fabricación de planchas de impresión y en la reproducción a gran escala de pequeños circuitos en computadoras electrónicas, mejorando enormemente la eficiencia y la calidad del trabajo. La "lente ojo de mosca" es un nuevo tipo de componente óptico que tiene muchos usos.
¿Qué tipo de habilidades extrañas tienen todo tipo de criaturas en la naturaleza? ¿Qué inspiraciones han dado sus diversas habilidades a los humanos? Imitando estas habilidades, ¿qué tipo de máquinas pueden crear los humanos? Una ciencia emergente que se introducirá aquí es la biónica.
La biomimética se refiere a la ciencia de construir dispositivos técnicos imitando seres vivos. Es una nueva ciencia marginal que surgió a mediados de este siglo. La biomímesis estudia la estructura, función y principios de funcionamiento de los organismos vivos y trasplanta estos principios a la tecnología de ingeniería para inventar instrumentos, dispositivos y máquinas con un rendimiento superior y crear nuevas tecnologías. Desde el nacimiento y desarrollo de la biónica hasta la actualidad, los resultados de su investigación han sido muy impresionantes. La llegada de la biónica ha abierto un camino de desarrollo tecnológico único, que es un camino para obtener planos del mundo biológico. Ha ampliado enormemente los horizontes de las personas y demostrado una vitalidad extremadamente fuerte.
La biónica humana tiene una larga historia
Desde la antigüedad, la naturaleza ha sido la fuente de diversas ideas tecnológicas humanas, principios de ingeniería e inventos importantes. Una amplia variedad de seres vivos han pasado por un largo proceso de evolución que les ha permitido adaptarse a los cambios del entorno y así sobrevivir y desarrollarse. El trabajo crea seres humanos. Con su cuerpo erguido, sus manos capaces de trabajar y su lenguaje para comunicar emociones y pensamientos, el ser humano ha promovido el alto desarrollo del sistema nervioso, especialmente del cerebro, en prácticas productivas de largo plazo. Por lo tanto, las habilidades e inteligencia incomparables de los seres humanos superan con creces a todos los grupos del mundo biológico. Los seres humanos utilizan su ingenio y sus diestras manos para fabricar herramientas mediante el trabajo, obteniendo así una mayor libertad en la naturaleza. La sabiduría humana no sólo se limita a observar y comprender el mundo biológico, sino que también utiliza las capacidades únicas de pensamiento y diseño de los seres humanos para imitar los seres vivos y aumentar sus capacidades mediante el trabajo creativo. Los peces tienen la capacidad de entrar y salir libremente en el agua, por lo que la gente imita la forma de los peces para construir botes, usando remos de madera para imitar aletas. Se dice que ya en el período Dayu, los trabajadores de la antigua mi patria observaban peces nadando y girando en el agua con el movimiento de sus colas, y colocaban remos de madera en la popa del barco. A través de repetidas observaciones, imitaciones y prácticas, gradualmente cambió a remos y timones, aumentó la potencia del barco y dominó los medios para girarlo. De esta manera, la gente puede hacer que los barcos naveguen libremente incluso en ríos agitados.
Los pájaros pueden volar libremente en el aire con las alas extendidas. Según "Han Feizi", Lu Ban hizo un pájaro con bambú y madera, y "voló y permaneció allí durante tres días". Sin embargo, la gente espera imitar las alas de los pájaros para que puedan volar por el aire. Hace más de cuatrocientos años, el italiano Leonardo da Vinci y sus ayudantes diseccionaron cuidadosamente aves, estudiaron sus estructuras corporales y observaron atentamente su vuelo. Diseñó y construyó un ornitóptero, la primera máquina voladora construida por el hombre.
Los inventos e intentos anteriores de imitar estructuras y funciones biológicas pueden considerarse los pioneros de la biónica humana y el germen de la biónica.
Comparación que invita a la reflexión
Aunque el comportamiento biónico humano ha sido un prototipo durante mucho tiempo, antes de la década de 1940, la gente no consideraba conscientemente la biología como la fuente de ideas e invenciones de diseño. . La investigación de los científicos en biología sólo se limita a describir la exquisita estructura y las funciones perfectas de los organismos vivos. El personal técnico y de ingeniería confía más en su extraordinaria sabiduría y su arduo trabajo para realizar inventos artificiales. Rara vez aprenden conscientemente del mundo biológico.
Desafortunadamente, el consejo de Hardy pasó desapercibido y a los ingenieros les resultó difícil creer que los murciélagos tuvieran tecnología de "ecolocalización". No fue hasta el uso de instrumentos de medición electrónicos en 1983 que se confirmó completamente que los murciélagos se localizan emitiendo ondas ultrasónicas. Pero esto ya no ayudó con los primeros inventos del radar y el sonar.
Otro ejemplo es el estudio del comportamiento de los insectos que llegó demasiado tarde. 400 años después de que Leonardo da Vinci estudiara el vuelo de las aves y construyera el primer avión, después de una larga y repetida práctica, la gente finalmente inventó el avión en 1903, lo que permitió a la humanidad hacer realidad su sueño de volar hacia el cielo. Gracias a la mejora continua, 30 años después, los aviones humanos superaron a las aves en términos de velocidad, altitud y distancia de vuelo, demostrando la sabiduría y el talento humanos. Pero al seguir desarrollando aviones que vuelen más rápido y más alto, los diseñadores encontraron otro problema: el fenómeno del aleteo en la aerodinámica. Cuando un avión vuela, se producen vibraciones nocivas en sus alas. Cuanto más rápido vuela, más fuerte se vuelve el aleteo de las mismas, provocando incluso que las alas se rompan, provocando que el avión se estrelle y muchos pilotos de pruebas pierdan la vida. Los diseñadores de aviones dedicaron muchos esfuerzos a eliminar los fenómenos dañinos de aleteo y les llevó mucho tiempo encontrar una solución a este problema. Se coloca un dispositivo de contrapeso justo en el extremo más alejado del borde de ataque del ala, eliminando así las vibraciones dañinas. Sin embargo, los insectos han estado volando en el aire hace 300 millones de años y no son una excepción al daño del aleteo. Después de un largo período de evolución, los insectos han obtenido con éxito métodos para prevenir el aleteo. Cuando los biólogos estudiaban las alas de las libélulas, descubrieron que había un área córnea oscura y engrosada sobre el borde anterior de cada ala: un ojo de ala o un nevo de ala. Si se quitaran los ojos de las alas, el vuelo se volvería errático. Los experimentos han demostrado que es el tejido córneo del ojo del ala el que elimina el daño del aleteo en las alas voladoras de las libélulas. Esto es muy similar al magnífico invento del diseñador. Si los diseñadores aprenden primero la función de los ojos de las alas de los insectos y obtienen ideas de diseño que sean beneficiosas para resolver el aleteo, podrán evitar exploraciones a largo plazo y sacrificios de personal. Frente a los ojos de las alas de una libélula, los diseñadores de aviones sienten como si se hubieran conocido en una fecha tardía.
Los tres ejemplos anteriores invitan a la reflexión y han inspirado mucho a la gente. Mucho antes de que los humanos aparecieran en la Tierra, varias criaturas han estado viviendo en la naturaleza durante cientos de millones de años. Durante su larga evolución en su lucha por la supervivencia, han adquirido la capacidad de adaptarse a la naturaleza. La investigación biológica puede demostrar que los mecanismos extremadamente precisos y completos formados por los organismos durante su evolución les permiten adaptarse a los cambios del entorno interno y externo. El mundo biológico tiene muchas habilidades fructíferas. Como la biosíntesis en el cuerpo, la conversión de energía, la recepción y transmisión de información, el reconocimiento del mundo exterior, la navegación, el cálculo y síntesis direccional, etc., muestran muchas ventajas incomparables con las máquinas. La pequeñez, la sensibilidad, la velocidad, la eficiencia, la confiabilidad y la antiinterferencia de los seres vivos son realmente asombrosas.
El puente que conecta biología y tecnología
Desde que James Watt (1736-1819) inventó la máquina de vapor en 1782, la gente ha ganado una fuerte motivación en la lucha por la producción. En términos de tecnología industrial, básicamente resolvió los problemas de conversión, control y utilización de energía, desencadenando así la primera revolución industrial. Varias máquinas surgieron como hongos después de una lluvia. El desarrollo de la tecnología industrial amplió y mejoró enormemente las capacidades de los seres humanos. La aptitud física libera a las personas del trabajo físico pesado. Con el desarrollo de la tecnología, la gente experimentó la era eléctrica después de la máquina de vapor y avanzó hacia la era de la automatización.
La llegada de las computadoras electrónicas en la década de 1940 agregó una riqueza valiosa al tesoro de la ciencia y la tecnología humanas. Pueden manejar decenas de miles de información diversa en manos de las personas con capacidades confiables y eficientes. El vasto océano de números e información. El uso de computadoras y dispositivos automáticos puede hacer que las personas se sientan relajadas y ahorren trabajo frente a procesos de producción complicados. Pueden ajustar y controlar con precisión los procedimientos de producción para que las especificaciones del producto sean precisas. Sin embargo, el dispositivo de control automático funciona según procedimientos fijos establecidos por personas, lo que hace que su capacidad de control sea muy limitada.
Los dispositivos automáticos carecen de la capacidad de analizar y responder de manera flexible al mundo exterior. Si ocurre alguna situación inesperada, el dispositivo automático dejará de funcionar o incluso puede ocurrir un accidente. Esta es una deficiencia grave del propio dispositivo automático. Para superar esta deficiencia, no se trata más que de permitir la "comunicación" entre los distintos componentes de la máquina y entre la máquina y el entorno, es decir, permitir que el dispositivo de control automático tenga la capacidad de adaptarse a los cambios en el sistema interno. y ambiente externo. Para resolver este problema, la tecnología de ingeniería debe resolver cómo aceptar y convertir. Cuestiones de utilización y control de la información. Por tanto, la utilización y el control de la información se han convertido en una importante contradicción en el desarrollo de la tecnología industrial. ¿Cómo resolver esta contradicción? El mundo biológico ha proporcionado una útil iluminación a la humanidad.
Para que el ser humano se inspire en los sistemas biológicos, primero necesita estudiar si los dispositivos biológicos y tecnológicos tienen las mismas características. La teoría del condicionamiento, que surgió en la década de 1940, contrastaba los seres vivos con las máquinas en un sentido general. En 1944, algunos científicos habían determinado que las máquinas y los organismos eran consistentes en una serie de cuestiones como la comunicación, el control automático y la mecánica estadística. Sobre la base de este entendimiento, en 1947 surgió una nueva disciplina: la cibernética.
Cibernética proviene del griego, y su significado original es “el timonel”. Según la definición de Norbef Wiener (1894-1964), uno de los fundadores de la cibernética, la cibernética es la ciencia del "control y la comunicación en animales y máquinas". Aunque esta definición es demasiado simple y es sólo un subtítulo del trabajo clásico de Wiener sobre cibernética, vincula directamente la comprensión que las personas tienen de los seres vivos y las máquinas.
El punto de vista básico de la cibernética es que existe una cierta integración entre los animales (especialmente los humanos) y las máquinas (incluidos diversos dispositivos de automatización para la comunicación, el control y el cálculo), es decir, cuando tienen allí Hay ciertas leyes únicas en el sistema de control. Según la investigación cibernética, los procesos de control de varios sistemas de control incluyen la transmisión, transformación y procesamiento de información. El funcionamiento normal del sistema de control depende del funcionamiento normal de la información. El llamado sistema de control se refiere a la combinación orgánica del objeto controlado y varios elementos de control, componentes y circuitos en un todo con determinadas funciones de control. Desde el punto de vista de la información, un sistema de control es una red o sistema de canales de información. Las máquinas tienen muchas similitudes con los sistemas de control de los organismos vivos, por lo que la gente se ha interesado mucho en los sistemas biológicos automáticos y utiliza modelos físicos, matemáticos e incluso técnicos para realizar más investigaciones sobre los sistemas biológicos. Por lo tanto, la teoría del control se ha convertido en la base teórica para vincular la biología y la tecnología de la ingeniería. Convertirse en un puente entre los sistemas biológicos y los sistemas tecnológicos.
De hecho, existen claras similitudes entre los organismos vivos y las máquinas, y estas similitudes pueden manifestarse en diferentes niveles de estudio de los organismos vivos. Desde células individuales simples hasta sistemas de órganos complejos (como el sistema nervioso), existen varios procesos fisiológicos que se regulan y controlan automáticamente. Podemos pensar en los organismos como máquinas con habilidades especiales. La diferencia con otras máquinas es que los organismos tienen la capacidad de adaptarse al entorno externo y reproducirse. Un organismo también puede compararse con una fábrica automatizada. Sus diversas funciones siguen las leyes de la mecánica; sus diversas estructuras funcionan en armonía, pueden responder cuantitativamente a determinadas señales y estímulos, y pueden actuar como control automático, la organización se regula a sí misma; de forma autónoma con la ayuda de contactos de retroalimentación especializados. Por ejemplo, la temperatura corporal constante, la presión arterial normal, la concentración normal de azúcar en sangre, etc. en nuestro cuerpo son el resultado de la regulación por parte del complejo sistema de autocontrol del cuerpo. El surgimiento y desarrollo de la cibernética ha tendido un puente entre los sistemas biológicos y los sistemas técnicos, lo que ha provocado que muchos ingenieros busquen conscientemente nuevas ideas y principios de diseño a partir de los sistemas biológicos. Como resultado, ha habido una tendencia a que los ingenieros tomen la iniciativa de aprender conocimientos de ciencias biológicas para lograr resultados en el campo de la tecnología de ingeniería en el que colaboran con los biólogos.